Tamás Ferenc: Exobolygók

Merkúr, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz (és Plutó) – ismerős mindenkinek, ugye? Egészen 1992-ig csak reméltük, hogy a rengeteg jól látható csillag közül nem csupán a mi naprendszerünkben alakultak ki bolygók. Ám az első bizonyítékot 1992-ben sikerült szerezni a Naprendszeren kívüli, azaz extraszoláris bolygók (röviden: exobolygók) létezésére. 2023. májusáig 5300-nál is több exobolygó létezését erősítették meg 3500-nál több különböző naprendszerben, melyek között sok száz rendszerben egynél több bolygó is kering. Nagyon valószínű, hogy több milliárdnyi exobolygó vár még felfedezésre! (Részletesebben: https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/ )

Az észlelési módszerek különfélék lehetnek. A legegyszerűbb módszer a távoli csillagok spektroszkópos, azaz színképelemzős vizsgálata. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a távoli (álló)csillagok emberi léptékben állandó összetételűek, így a fényük színképelemzős vizsgálata is mindig ugyanolyan eredményt ad. Ám ha egy távoli csillag előtt átvonul egy elég nagy bolygó, akkor az befolyásolja a csillag pályáját is. Tehát a Földünkről nézve a csillag sebességének mérése némi eltérést mutat az állandó értékhez képest, amiről a Doppler-effektus ad jól mérhető jelzést. A mérés igen lényeges eleme, hogy ezek a bolygó-átvonulások rendszeresek és szabályos időközönként visszatérők legyenek. Az első ilyen észlelés 1995-ben volt az 51 Pegasi Nap-típusú csillag körül keringő bolygót. Az észlelést az alábbi grafikon alapján jelentették be. (Kép eredetije: http://astro.u-szeged.hu/oktatas/csillagaszat/6_Naprendszer/0108exobolygok/51peg_vr.gif)

Találtam egy művészi koncepciórajzot erről a csillagról és a bolygójáról.

(Kép eredetije: https://www.eso.org/public/hungary/videos/eso1517b/)

Ezek után már sorra jelentették be a csillagok radiális sebességének változása alapján az exobolygókat. Például a 47 Ursae Majoris A (röviden: 47 UMa) csillag körül két bolygó is kering. (Link: http://astro.u-szeged.hu/oktatas/csillagaszat/6_Naprendszer/0108exobolygok/47_UMa.png) Találtam a NASA honlapján egy művészi koncepciórajzot erről a naprendszerről.

(Kép eredetije: https://apod.nasa.gov/apod/ap010817.html)

A másik módszer optikai. Gyakorlatban az történik, hogy a távoli csillag állandó fénye periodikusan csökken, amikor egy bolygó átvonul előtte. Ezek többnyire igen kicsi fényesség-változások. Vegyünk egy egyszerű példát: az éjszakai autóúton valaki jön teljes fényű reflektorral, ami előtt egy apró fémpénzt lengetünk néha. Nos, ezt a fényesség-változást kell(ene) észlelni. A sikeres észleléshez az is kell, hogy a távoli naprendszer bolygóinak síkja közel legyen a mi látási irányunkhoz. Az alábbi ábrán egy ilyen átvonulás látható.

Optikai észlelés

(Kép eredetije: http://astro.u-szeged.hu/oktatas/csillagaszat/6_Naprendszer/0108exobolygok/tranzit_anim1.gif)

Az ilyen fedési esetben a csillag becsült mérete és a bolygópálya adatai alapján az exobolygó mérete is elég jól megbecsülhető. Az effektus amúgy a teljes fényesség alig pár százaléka. Elég alapos megfigyelések alapján megfigyelhetők többszörös fedések is, amik a gyakorlatban több bolygó jelenlétére utalnak.

A megfigyelendő effektus nagyságára jellemző a következő példa: szép tiszta éjszaka van. A nyílegyenes országúton jön egy autó, kb. 500 méterre van és szabályosan ég a tompított világítása. Ekkor átröpül egy apró bogár a fényszóró előtt. Ezt az effektust kell(ene) észlelni a csillagászoknak. Beláthatjuk, hogy cseppet sem könnyű!

A bolygó tömegének és sugarának ismeretében a sűrűség egyszerűen kiszámolható, sőt az egyes bolygók belső felépítése is modellezhető! Ráadásul, ha elég jó a rálátás az átvonulásra, akkor a bolygó színképe hozzáadódik a csillagéhoz, így a bolygó esetleges légkörének összetételéről is sok mindent meg lehet tudni. Példának okáért, ha jelentős mennyiségű oxigén és nitrogén van a légkörben, akkor elképzelhető felszíni fotoszintetizáló növényi vegetáció is. A megnövekedett exobolygó észlelések miatt egyre több ilyen légkör-analízis áll rendelkezésünkre!

Az eleinte felfedezett exobolygók döntő többsége Jupiter, vagy Szaturnusz-típusú volt, mivel ezeket az óriásokat sokkal könnyebb meglátni egy megfelelően nagy távcsővel. Az észlelési technológia finomodása miatt a második leggyakoribb típus volt a 3-15 Föld-tömegű úgynevezett szuper-Föld típus.

2023.májusában egy NASA-cikk szerint a bizonyítottan megtalált exobolygók aránya a következő:
(Link: https://exoplanets.nasa.gov/news/1702/cosmic-milestone-nasa-confirms-5000-exoplanets/)

- 30% gáz-óriás: A megtalált bolygók mérete hasonló, mint a Jupiteré vagy a Szaturnuszé, esetleg ennek többszöröse. Ezek közül jónéhány forróbb, mint egy csillag!

- 31% szuper-Föld: Ezen bolygók mérete valahol a Föld és a Neptunusz mérete között van, de ilyen méretű planéták nincsenek a mi Naprendszerünkben. Hatalmas méretük ellenére is a Földünkhöz hasonlóan szilárd lehet a kérgük és elég sűrű atmoszférájuk lehet.

- 4% Föld-típusú: ezek a planéták hasonlóak a mi anyabolygónkhoz, mivel szintén szilárd kéreggel rendelkeznek, méretük is nagyjából megegyezik a Földével, esetleg kicsit kisebbek.

- 35% Neptunusz-típusú: méretük nagyjából megegyezik a Neptunuszéval, illetve az Uránuszéval. Lehetnek a saját csillagtól relatív messze keringő jeges óriások vagy nagyon közeli, szuperforró gázgömbök.

(Kép eredetije: https://exoplanets.nasa.gov/resources/2318/5000-exoplanets-infographic/)

A lenti képen néhány, Kepler űrtávcső által felfedezett néhány szuper-Föld látható – Földdel való méreti összehasonlításban. (Kép eredetije: https://exoplanets.nasa.gov/news/207/finding-another-earth/)

További, indirekt módszerek például:

spektroszkópia: a csillag színképvonalainak vörös- illetve kék-eltolódása – Doppler jelenség.
gravitációs perturbáló hatás: a csillag körüli anyagkorongban okozott zavarok, ami egy bolygó hatása.
gravitációs lencse-hatás: egy háttércsillag fényének felerősítése a bolygós csillag segítségével.
pulzárjelek vagy más ciklikusan ismétlődő fényváltozás: a csillag keringése miatt.

(Kép eredetije: https://www.nasa.gov/keplerbriefing0723 )

A fenti észleléseket több űrtávcső és egyéb eszköz tette lehetővé (lásd a fenti képet!). Egyik legsikeresebb ezek közül a NASA által felbocsájtott Kepler űrtávcső. Egyik legfontosabb célja Föld-szerű, lakhatónak vélt világok felfedezése. Ha egy átlagos csillaghoz képest túl közel kering a bolygó, akkor túl meleg van a felszínén (lásd: Merkúr). Ha túl távol, akkor kemény hideg uralkodik. (lásd: Szaturnusz holdjai). Így meg kell találni a „lakhatósági zónában” lévő kőbolygókat, amelyek felszínén lehetséges a víz folyékony állapotú jelenléte, így esetlegesen az általunk ismert típusú élet kialakulása is.

(Képen: lakhatósági zóna túl forró, pont megfelelő, illetve túl hideg bolygóval.
Kép eredetije: https://exoplanets.nasa.gov/internal_resources/1778)

Ezen felül fontos még a csillag életkora is, hiszen túl fiatal csillagnál még nem volt elég idő a bolygók kialakulása után az esetleges élet kifejlődésére. Ráadásul a csillagok jó része nem Nap-típusú, hanem pl. meleget alig adó vörös törpe vagy mindent túlragyogó kék szuperóriás. Az sem jó, ha egy csillag lüktet (azaz pulzál), mert ilyen esetben nem állandó a fénye. Ugyancsak kizáró eshetőség a rendszeres rádió-, vagy egyéb kitörések megléte is, mivel ezek könnyedén letarolhatják az ott keringő bolygók felszínét.

A Kepler távcső a lakhatósági zónán belül 10-15 Föld-szerű bolygót fedezett fel, melyek tömege 0,5 és 2 Föld-tömeg között van és pont megfelelő a csillaguk is. Ezek között talán a legígéretesebb a legelső exobolygó felfedezése után 20 évvel észlelt Kepler-452b jelű, amely egy Naphoz igen hasonló csillag körül kering, annak lakhatósági zónájában és átmérője mindössze 1,6-szerese a Földnek. Ráadásul nagyon esélyes, hogy a felszínén zömében kő legyen. Keringési ideje 385 nap. Távolság tőlünk: kb. 1400 fényév. A sok hasonlóság miatt többen is Föld 2.0-nak hívják ezt a világot. A lenti képen a mi Naprendszerünkkel összehasonlítva látható a Kepler-452 és a Kepler-186-os rendszer.

(Kép eredetije: https://img.444.hu/sites/27/452b_system_comparison-760x536.jpg )

Ezt megelőzően a Kepler-186f volt a "leginkább Föld-szerű bolygó", mivel kb. 10%-kal nagyobb planétánknál és a központi vörös csillag lakóövezetén halad át a pályája. Távolság tőlünk: kb. 500 fényév. A bolygó kb. 130 nap alatt kerüli meg központi csillagát, a vörös törpét, amely jóval hidegebb napunknál és mérete is csupán fele a mi központi csillagunknak. Az adatok pontosítása után kiderült, hogy a Kepler-186f a mi Földünkhöz képest csak 1/3 energiát kap, ráadásul a lakhatósági zóna külső részén helyezkedik el. A tudósok szerint a bolygó felszínén a déli nap kb. ugyanolyan erős lehet, mint nálunk egy órával a naplemente előtt. Ez a művészi koncepció látható az alábbi képen is:

(Kép eredetije: https://delilahjsanchez.wixsite.com/kepler-168f/gallery?lightbox=i0hxb )

Persze a legnagyobb érdeklődést a Földhöz leginkább hasonló bolygók hozzák, az ügynevezett iker-Földek (más néven: Föld 2.0). Ezek alapvetően elég ritkák, ráadásul méretük miatt elég nehezen észlelhetők. 2023.frebruári bejelentés szerint alig 72 fényévnyire találtak egy megfelelő jelöltet a K2-415 rendszerben. Egy művészi koncepciót is találtam erről a bolygóról:

(Kép eredetije: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/EQNWMhcLyvkNUC4uW2e34D-1024-80.jpeg.webp)

Ez a bolygó egy meglehetősen hideg vörös törpe körül kering. 2023.májusi állapot szerint ez a legközelebbi iker-Föld. Részletesebben: https://www.space.com/k2-415b-nearby-earth-size-exoplanet

A mai Napunk egyedüli csillag, de galaxisunkban, a Tejútrendszerben nagyon sok a kettős-, hármas- vagy többes csillag. Sokáig elképzelhetetlennek tűnt, de létezik olyan kettős csillag, amelynek csak egyik napja körül kering bolygó, de olyan is, amelynél a két csillag körüli stabil pályán kering egy bolygó. A Csillagok háborújának legendás Tatooine bolygójának hasonmását is már felfedezték, mégpedig a Kepler-16 kettős rendszerben.

(Kép eredetije: http://theconversation.com/star-wars-planet-with-two-suns-a-step-towards-luke-skywalkers-tatooine-3379)

A Földtől kb. 200 fényévnyire lévő Kepler-16b bolygó holdjáról való látképet egy művész álmodta meg a NASA számára:

(Kép eredetije: https://exoplanets.nasa.gov/alien-worlds/exoplanet-travel-bureau/explore-kepler-16b/)

Hasonló tulajdonságú a REBOP-1c bolygó is, amely egy kettős csillag körül kering. A csillagászok sokáig nem tudták a kettős csillagú rendszereket arányát, de a legújabb vizsgálatok szerint a Tejút hozzánk viszonylag közeleső részén ez a rendszerek legalább 1/3-át jelenti. Részletesebben: https://www.space.com/tatooine-exoplanet-binary-systeim-twin-suns

Ha a közvetlen közelben nézünk szét, akkor itt van az Alpha Centauri bináris rendszere, amely mindössze 4,34 fényévre van, ráadásul bizonyítottan van lakható zónában lévő bolygója (is).

(Kép eredetije: https://www.businessinsider.com/earth-sized-planet-circling-alpha-centauri-2012-10)

A sci-fi kultúrát is többször megihlette ez a rendszer, hiszen az Avatar c. film szerint itt él a naavi faj.

Az észlelt exobolygók számában csúcstartónak számít a Kepler-90, amelynek eddig 8 felfedezett bolygója van. Az alábbi koncepciós rajz ezen bolygókat mutatja a mi Naprendszerünkkel való összehasonlításban.

(Kép eredetije: https://www.nasa.gov/image-feature/ames/kepler-90-system-planet-sizes)

A kb. 2544 fényévre lévő Kepler-90 rendszer további érdekessége, hogy hozzánk hasonlóan itt a kőbolygók vannak belül és a gázóriások kívül.

Hasonló bolygóhalmozó a kb. 40 fényévnyire található Trappist-1 nevű rendszer, ahol bizonyítottan 7 bolygó kering a központi nap körül, ráadásul ezek között több is a lakhatósági zónában kering egy aránylag kis vörös törpecsillag körül.

(Kép eredetije: https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA21428)

Mivel mind a 7 bolygó igen közel kering a napjához, ezért valódi pályájuk a Jupiter holdjainak pályájához hasonló. Ezen felül valamennyi planéta Föld-típusú – tehát itt is komoly esély lehet a miénkhez hasonló élet létezésére.

A 2021. decemberében felbocsájtott James Webb Űrteleszkóp (JWST) radikális változást hozott az exobolygók kutatásában (is). Az exobolygók légköre a csillag előtti átvonuláskor szerencsés esetben elemezhető, így a távcső segíthet azonosítani az életnek otthont adó távoli exobolygókat. A Föld légkörében található vegyületek közül sok, az élethez nélkülözhetetlenek, nem léteztek a bolygó keletkezésekor. Helyettük azonban a napfény által kiváltott kémiai reakciók termékei voltak. Ezek a fotokémiai reakciók a Naprendszer szinte összes többi bolygójának atmoszférájában is előfordulnak, és az előrejelzések szerint exobolygós légkörben is előfordulnak, de eddig soha nem figyelték meg – egészen 2022. augusztusáig. Ekkor ugyanis a JWST a WASP-39b exobolygó légkörében talált kén-dioxidot. A bolygó azonban egy igen nagy gázóriás (kb. Szaturnusz tömegű), ráadásul kb. 900^oC a légkör hőmérséklete. A csillagászok a JWST négy infravörös műszerével vizsgálva egy furcsa nyomot találtak a légkör elemzése közben, amely a bolygó mögötti csillag fényét elnyeli. A kutatók szerint ez csak úgy jöhet létre, ha a bolygó keletkezése után valami (kémiai reakció) termeli a kén-dioxidot, melynek sűrűsége sokkal magasabb, mint a keletkezéskor megszokottnak kellene lenni. A JWST egyik kiemelt célja az élhető bolygók felkutatása, melyek közül az egyik lehetséges jelölt a WASP-39b volt.

2023 januárjában a JWST több potenciális jelöltet is célba vett légkörelemzés céljából. Az LHS 475 b néven ismert bolygó majdnem pontosan akkora, mint a Föld, és csupán 41 fényévnyire található az Oktán csillagképben. Jelenleg még nem tudni, hogy rendelkezik-e légkörrel, bár a JWST érzékeny műszerei számos molekulát érzékeltek ott, melyek reménykedésre adnak lehetőséget.
A JWST mellett a NASA másik műszere, a Transiting Exoplanet Survey Satellite (kb. bolygó áthaladást felmérő műhold - TASS) egy második Föld-méretű exobolygót is észlelt alig 100 fényévnyire lévő TOI 700 rendszerben. Ráadásul ez a világ talán lakható!

Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a csillagászati méretekben nézve szomszédainkat elég jól kezdjük felderíteni, de még messze van a lehetőségek határa. Találtam egy igen jó videót, amely az eddigi exobolygók felfedezési ütemét mutatja. Nagyon tanulságos megnézni!

Érdekes lehet a bizonyítottan létező exobolygók listája is (évenként kigyűjtve): https://en.wikipedia.org/wiki/Lists_of_exoplanets

A James Webb űrtávcső fotóinak elemzése szerint egyes rendszerekben teljesen eltérő az exobolygók légköre a mi Naprendszerünkben észlelhetőnél. Nálunk az óriásbolygók légkörének zömét hidrogén és hélium alkotja, de például a Smertios bolygó tömege nagyjából megegyezik a Szaturnuszéval, de légkörében a nehéz elemek aránya 27-szerese az itt megszokottaknak. Hasonlóan érdekes lehet a TESS távcső által felfedezett 137 fényévre fekvő TOI-2095 b nevű bolygó, amely kb. 25%-kal nagyobb a Földnél, míg keringési ideje csak 17,66 nap. Ráadásul a becsült felszíni hőmérséklete 73 ^oC, tömege pedig 4,1-szerese a Földnek. A bolygó elég közel, csak 0,1 csillagászati egységre kering a napja körül, ami 56%-kal kisebb méretű és tömegű, mint a mi Napunk. A rendszer második bolygója, a TOI-2095 c körülbelül 1,33 földsugarú, és 28,17 nap alatt kerüli meg csillagát attól mintegy 0,137 csillagászati egység távolságban. A TOI-2095 c egyensúlyi hőmérséklete mintegy 23 Celsius-fok, maximális tömege pedig 7,4 földtömeg. Mindkét bolygón lehetséges folyékony halmazállapotú víz!

További érdekesség az LTT9779b bolygó, amely egy, a Naphoz hasonló csillag körül kering, de mindössze 19 óra alatt tesz meg egy kört, tehát igen rövid az ottani év! Köszönhető ez annak, hogy a bolygó igen közel kering a csillagához. A csillag felé forduló oldalának hőmérséklete becsült adatok szerint elérheti a 2000 Celsius-fokot is. A bolygó kicsit nehezebb és nagyobb, mint a Neptunusz. A legnagyobb érdekesség azonban a bolygó légköre (főleg titán) fémes felhőkből áll, amelyek a ráeső fényt csaknem teljesen visszatükrözik, így a bolygó igen fényes! Részletesebben: https://index.hu/tudomany/2023/07/16/esa-felfedezes-ltt9779b-tukor-bolygo/

február végi hír szerint találtak egy olyan szabályos naprendszert az űrben, amelyet mintha mesterségesen építettek, akár idegenek. A HD 110067 néven azonosított rendszerben tökéletes harmóniában és szabályos távolságokra kering egymástól hat darab, a Neptunusznál valamivel kisebb bolygó. Mivel a bolygópályák matematikailag tökéletesek, ezért a csillagászok szerint az ilyen rendszer természetes kialakulásának esélye gyakorlatilag nulla, így könnyen lehet, hogy valami igen fejlett civilizáció építette meg az egész rendszert.

A rendszer rajza megtekinthető itt: https://pcforum.hu/assets/site.pc/text/quicknews/27330/hd110067-star-system--dyn--fullviewsize.jpg. A rendszert kutató csillagászok elsőre semmilyen mesterséges technológia-használatra utaló jelet nem ismertek fel. További részletek: https://pcforum.hu/hirek/27330/hd-110067-naprendszer-idegen-civilizacio-urkutatas-ur

Felhasznált szakirodalom:

Kiegészítés: 2021. márc., 2022.dec., 2023. jan., 2023.máj. és 2023.júl.

Kiegészítés: 2021. márc., 2022.dec., 2023. jan., 2023.máj., 2023.júl.és 2024.márc.